风力机动态偏航时对风轮气动性能影响的数值模拟研究

本文是对动态偏航风力机输出功率和风轮表面的压力分布进行了研究。以某S翼型风力机叶片为研究对象,采用有限元方法,模拟叶片在额定工况下以10°/s的旋转速度从正对来流风开始顺时针匀速偏转30°。在动态偏航过程中取10°,20°两个偏航角位置时的风轮表面气动力及5°,10°,15°,20°,25°,30°六个偏航角下风轮的输出功率分别进行气动力及输出功率对比,结果发现:同一偏航角下,风力机动态偏航时,三支叶片间存在不平衡气动力;同一偏航角同一叶片相同径向位置,风轮动态偏航时压力面与吸力面的压强差小于风轮静态偏航时压力面与吸力面的压强差。风力机发生动态偏航时,风力机受气动力变化幅度较大,输出功率会较大波动。     

切变风速下风力机叶片流固耦合分析

风力机处于复杂的自然环境中,随着叶片尺寸和柔性不断变大,气动弹性问题日益突出。将基于时间步进自由尾迹的气动载荷模型与结构动力学模型进行耦合,计算了风力机在切变风速下的气弹响应特性。计算结果表明:切变风速下,考虑流固耦合的风轮叶尖变形量呈现周期性波动,且变形量随着风速的增大而增大。由于叶片变形的影响,风轮气动载荷会减小,且当风速高于额定风速时,叶片变形使得风轮载荷明显降低。研究结果对风力机的气动结构设计和控制策略的改进具有一定的参考价值。     

基于升力面和全自由涡尾迹的风力机气动模型及其参数影响

基于升力面理论,将风力机叶片简化为由分布在叶片中弧面上的一系列等强度涡格,并结合全自由涡尾迹理论,建立了一种新的风力机叶轮气动模型。该气动模型增加了对翼型弯度影响的考虑,并通过全自由涡尾迹得到尾迹的准确的诱导作用。使用该模型对Mexico风洞实验中的三种工况进行了数值计算,对比了叶轮推力、扭矩,及叶片载荷分布的实验和仿真结果。比较了尾迹圈速,初始涡核大小和相对总粘性系数在不同的取值情况下的计算结果,以研究模型中参数对计算结果的影响。通过与实验数据的对比发现,该模型的初始涡核大小的选择对计算结果有比较大的影响,在涡核较大时候会带来结果的大幅偏离,而相对总粘性系数的影响效果较小。因此在使用该模型的时候,需要在选择合适的参数范围内以获取较高的计算精度。     

轴流风扇两种扭叶片设计方法及其气动性能的比较

"等密流型"与"变密流型"设计方法是轴流风扇扭叶片气动设计中的两种典型的方法,本文对这两种气动设计方法进行了深入的探讨,并以某型轴流风扇为例,分别采用这两种方法对其进行了扭叶片改型设计,详细比较了按这两种扭叶片设计方法所获得的扭叶片的几何特征。在此基础上,利用CFD技术数值研究了这两种扭叶片的气动性能在设计工况与变工况的差异,以此对这两种方法的设计效果作出评价。研究结果表明:"变密流型"扭叶片的气动性能受变环量指数影响较大,较大的变环量指数能明显地提高"变密流型"扭叶片的气动性能,而"等密流型"扭叶片的气动性能受变环量指数的影响较小;"变密流型"扭叶片具有较大的径向压力梯度,易于诱发径向串流而引起额外的二次流损失,这直接造成其静压效率明显低于相应的"等密流型"扭叶片;按"等密流型"方法设计的扭叶片,其叶道根部具有较小的扩压度,这使其在小流量工况下叶根部抗失速能力明显高于对应的"变密流型"扭叶片。     

水平轴风力机叶片气动性能计算及影响因素分析

叶片作为风电机组的关键部件之一,其设计和可靠性直接关系到风力发电机组的安全运行,而气动性能的好坏将会直接影响到叶片外形设计及机组效率。因此,对叶片进行气动性能计算和数值模拟成为必要。根据动量叶素理论建立风力机叶片气动计算模型,考虑到叶尖损失,叶根损失,叶片宽度和厚度等因素的影响对该模型进行修正。用MATLAB语言编制计算程序,针对某一具体翼型数据进行了气动性能的计算,分析了风轮实度、安装角、锥角以及偏航等因素对叶片气动性能的影响。     

水平轴风力机叶片动态响应分析

为了获得水平轴风力机叶片在时变载荷作用下的动态响应,把叶片简化成悬臂梁,利用二结点梁单元进行离散化建模,并考虑由于叶片旋转所产生的离心刚化作用和气动阻尼作用,分析叶片弯曲振动的固有动力特性。在建立叶片结构动力学运动方程、计算叶片所受时变载荷的基础上,运用Newmark法和模态叠加原理对风力机叶片的动态响应进行计算,编制相应的有限元计算程序。以某1.0MW风力机为例,仿真其在湍流风场作用下的发电工况,获得其叶片的结构动力响应。仿真结果表明,大型水平轴风力机叶片在工作过程中承受较大的振动和变形,离心刚化和气动阻尼作用都对其结构动力响应有着较大影响。     

板型及机翼型对旋轴流通风机气动性能测试及比较

采用模型性能试验方法，对板型及机翼型叶片的对旋轴流通风机的气动性能进行了比较，通过测量这两种叶型的风机在不同叶片安装角下的流量、全压及轴功率，得到了叶片型线及安装角对风机气动性能的影响规律。试验结果表明机翼型叶片在全压效率、稳定运行范围及高效运行范围比相应的板型叶片具有优越性；在设计工况附近，机翼型风机的第一级叶轮安装角对气动性能的影响较大，而板型风机的第二级叶轮安装角对气动性能影响较大。     

L小翼对风力机气动性能的影响

以NREL 5MW水平轴风力机为研究对象,通过数值模拟方法,研究了未偏航状态和偏航状态下L小翼（β=45°、a=2m）对风力机气动性能的影响。通过分析叶尖处速度矢量图可知,安装L小翼能够降低叶尖扰流下洗速度,改变叶尖环量分布,减小叶尖涡强度,延缓叶尖处气流与叶片过早分离,增大了叶片上下表面压差,在较宽风速范围内提高了风力机的输出功率。当风力机处于偏航状态时,L小翼对风力机功率增升作用随着偏航角度的增大逐渐减小,随着风速的增大,功率增升作用先增大减小,在额定风速时功率增升效果最明显。L小翼增加了叶片转矩的同时降低了叶片输出转矩和轴向力的波动,改善输出电能品质,提高叶片抗疲劳性能,增加叶片使用寿命。     

双层翼叶片几何参数对水平轴风力机气动性能影响研究

为了提高风力机的气动性能，基于NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片，设计出的一种双层翼叶片。通过计算流体力学的方法，在不同来流风速下，对比分析了双层翼叶片与按比例缩放各叶高处弦长的NREL Phase Ⅵ水平轴风力机叶片的扭矩与弯矩，研究了叶片实度的影响，发现实度增加并不是双层翼叶片的气动性能优于原始NREL Phase Ⅵ风力机叶片的主要原因。对不同弦长比、垂直距离及水平距离的大小叶片所组成的双层翼结构进行数值模拟研究，利用流线图着重分析了大小叶片水平距离对风力机气动性能的影响，总结了气动性能随双层翼叶片几何参数的变化规律，发现在15 m/s至25 m/s的风速下，选择较大弦长比、较大垂直距离或者较小水平距离的双层翼叶片可得到较高的扭矩值，但弯矩值也会随之增加。     

水平轴风力机气动性能研究

介绍当前水平轴风力机气动性能计算的主要方法,对基于动量-叶素理论的水平轴风力机气动性能的计算模型进行分析,在考虑叶尖损失、叶片三维效应、动态入流和动态失速状态前提下对计算模型进行修正,该模型可应用于水平轴风力机的气动性能计算。